Космическое радиоизлучение
Ещё греки в глубокой древности предполагали, что небесные тела при своём обращении вокруг «центрального огня» (под которым не обязательно понимали Солнце) издают гармонично звучащую «музыку сфер». Отдельные тона в соответствии с расстояниями небесных тел должны были совпадать с тонами дорической гаммы, и одному лишь Пифагору дано было слышать эту музыку.
С большим трудом можно понять этот образ мыслей — смесь из математики, простейших астрономических представлений и мистики. Даже Иоганн Кеплер ещё заблуждался и искал таинственную связь между учением о гармонии и движением планет.
Так как сегодня перед наукой стоят значительно более интересные вопросы, мы не будем прилагать усилия, чтобы как-то разобраться в этом учении древних. Сами законы природы в своём построении и взаимной связи полны внутренней гармонии и эстетического очарования, поэтому просто излишне искусственно создавать подобные соотношения между разнородными явлениями.
И всё же одна разновидность «музыки сфер» существует, хотя звучит она далеко не так приятно, как это себе представляли пифагорийцы. В первый раз её звуки услышал один американский радиоинженер в 1932 г. Он занимался отыскиванием помех приёму радиопередач и обнаружил, что сильный шум в эфире исходит от Млечного Пути.
Теперь подобные шумы называют космическим радиоизлучением. Оно состоит из непрерывного спектра высокочастотных электромагнитных волн, которые поступают на Землю из самых различных уголков космоса. Эти сигналы принимают в области длин волн от нескольких миллиметров до 25 м — именно такие волны способны проникать через земную атмосферу; более длинные волны отражаются от ионосферы и не могут достичь земной поверхности.
Кроме этой области прозрачности, называемой «радиоокном», существует ещё «оптическое окно» (рис. 1).
Рис. 1. Прозрачность земной атмосферы для различных длин волн
Ещё более короткие ультрафиолетовые волны поглощаются кислородом и озоном, содержащимися в воздухе. Только тому обстоятельству, что наша атмосфера имеет эти два окна, мы обязаны возможностью изучать космическое пространство и получать сведения о событиях в отдалённых уголках Вселенной.
Наряду с уже известным излучением в линии 21 см радиоизлучение из космоса является в наши дни важнейшим каналом информации, который успешно дополняет исследования, проводимые при помощи телескопов. Так появилась новая отрасль науки о небе — радиоастрономия.
Радиоизлучение может возникать самыми различными способами. Давайте рассмотрим ещё раз кривые излучения абсолютно чёрного тела.
С первого взгляда можно подумать, что такое излучение состоит только из очень коротких волн. Но это впечатление складывается лишь из-за масштаба графика. Кривые непрерывно и неограниченно продолжаются вправо, в область больших длин волн. Это означает, что каждое тело, поскольку оно вообще имеет какую-то температуру, отличную от абсолютного нуля, испускает тепловое радиоизлучение, интенсивность которого при низких температурах, конечно, весьма мала. Этот вид радиоизлучения может быть принят, например, от Солнца, Луны и планет.
Однако важнейшую часть радиоизлучения составляет нетепловое излучение. В принципе каждый периодически колеблющийся электрический заряд излучает электромагнитные волны. В больших плазменных облаках межзвёздной среды, где электрические заряды ионизованных атомов отделены друг от друга в пространстве, это приводит, вероятно, к колебаниям плазмы и тем самым к непрерывному излучению.
Второй эффект ещё очевиднее. Если быстрый электрон попадает в однородное магнитное поле, силовые линии которого направлены перпендикулярно к движению электрона, то его первоначально прямолинейная траектория превратится в окружность (рис. 2).
Рис. 2. Возникновение синхротронного излучения.
Линии магнитного поля проходят перпендикулярно плоскости рисунка
Это следствие действия «силы Лоренца», которая в каждый момент отклоняет электрон в направлении, перпендикулярном направлению его пути. Но круговое движение есть не что иное, как периодические колебания.
Если посмотреть на круговую орбиту электрона с ребра, то будет казаться, что электрон колеблется взад и вперёд вдоль диаметра своей орбиты. Поэтому он излучает электромагнитные волны, частота которых соответствует частоте колебания. При этом электрон теряет энергию, и радиус его орбиты постепенно уменьшается.
Этот принцип использован в некоторых типах приборов, предназначенных для разгона электронов до большей скорости. Здесь также сталкиваются с проблемой компенсации потери энергии, связанной с излучением.
Таким путём пришли к конструкции электронного синхротрона, используемого в ядерной технике. Так как здесь электроны разгоняются от очень маленьких начальных до огромных конечных скоростей, возникает широкий непрерывный спектр электромагнитных волн. При очень больших энергиях видно, как кольцеобразный пучок электронов, движущихся в магнитном поле, светится различными цветами в зависимости от его энергии.
В принципе такой процесс может происходить в любом месте, где существуют протяжённые магнитные поля и быстро движущиеся частицы, имеющие электрический заряд, т. е. во многих областях космического пространства.
Если даже напряжённость магнитного поля межзвездной среды в среднем составляет только 1/10000 напряжённости земного поля, то не надо забывать о его колоссальных размерах. С другой стороны, существуют звёзды с чрезвычайно сильными магнитными полями, так что везде имеется возможность возникновения синхротронного излучения.
По сравнению с оптическими наблюдениями, радио-астрономические исследования имеют то преимущество, что им, также как и распространению волн длиной 21 см, не мешают тёмные облака.
Области HII, излучающие также и волны света, дают преимущественно «тепловое» излучение в дециметровой области. В области длин волн около 10 м эти эмиссионные туманности кажутся, наоборот, «тёмными» на «светлом» фоне синхротронного излучения, идущего со всех сторон. Особенно заметно выделяются на небе многочисленные дискретные источники космического радиоизлучения большой интенсивности. Одним из самых известных является Крабовидная туманность — облако газа, немного похожее на краба.
Чтобы точнее определить координаты таких радиоисточников, их пеленгуют при помощи мощных антенн, имеющих вид вогнутого зеркала, — радиотелескопов.
Точность, с которой это может быть сделано, зависит от разрешающей способности. Так как здесь речь идет о проблемах, можно воспользоваться формулой: sinc α = λ/d. По ней нетрудно рассчитать, что при использовании волн длиной 1 м необходим рефлектор диаметром 70 л, чтобы можно было определить положение радиоисточника с точностью в 10.
Этот пример объясняет, почему радиотелескопы имеют такие большие размеры. Имеются и другие устройства, которые работают с применением двух раздельных приёмных систем и в которых используется принцип интерференции; посредством их достигают точности в несколько угловых минут, однако они обычно имеют значительно меньшую чувствительность.
Как бы то ни было, но когда были построены эти «радиоглаза», астрономия получила новые органы чувств, при помощи которых она всё лучше разгадывает строение и свойства Вселенной.
